鋼桁(héng)梁,由于鋼材具有強(qiáng)度高、材質(zhì)均勻、塑性及韌性良好和可焊性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。
鋼橋特點(diǎn)
由于鋼材具有強(qiáng)度高、材質(zhì)均勻、塑性及韌性良好和可焊性好等諸多優(yōu)點(diǎn);因此,用鋼材建造的橋梁——鋼橋具有如下特點(diǎn):
(1)跨越能力大。由于鋼材的強(qiáng)度高,在相同的承載能力條件下;與鋼筋混凝土橋梁相比,鋼橋構(gòu)件的截面較小,所以鋼橋的自重較輕,最適合于建造大跨度的橋梁。
(2)最適合于工業(yè)化制造。鋼橋構(gòu)件一般都是在專業(yè)化的工廠由專用設(shè)備加工制作,不受季節(jié)的限制,加工制造速度快、精度高,質(zhì)量容易得到控制,因而工業(yè)化制造程度高。
(3)便于運(yùn)輸。由于鋼構(gòu)橋構(gòu)件的自重較輕,特別是在交通不便的山區(qū)便于汽車運(yùn)輸。
(4)安裝速度快。鋼橋構(gòu)件便于用懸臂施工法拼裝,有成套的設(shè)備可用,拼裝工藝成熟。
(5)鋼橋構(gòu)件易于修復(fù)和更換。
(6)鋼材易銹蝕,故鋼橋的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高。另外,鋼橋須防火,在列車通過時噪音大,故不宜在鬧市區(qū)建造鐵路鋼橋。
鋼橋可以根據(jù)不同的條件要求建成多種形式,其種類比其他材料制造的橋梁更多,主要可分為梁式體系、拱式體系及組合體系。
梁式體系
按力學(xué)圖式分梁式體系又可分為簡支梁、連續(xù)梁、懸臂梁;按主梁的構(gòu)造形式分有板梁式橋、桁梁橋、箱梁橋、結(jié)合梁橋。
拱式體系
按力學(xué)圖式分拱式體系可分為有推力拱和無推力拱;按拱肋的構(gòu)造形式分有版式、桁式、箱式。
組合體系
這類橋型包括懸索橋和斜拉橋,都是利用高強(qiáng)鋼索來承重,吊橋(又稱懸索橋)的承重構(gòu)件是高強(qiáng)度鋼索,恒載輕,跨越能力大。斜拉橋的承重構(gòu)件是斜拉索和梁,其鋼梁可以是板式、桁式或箱式,恒載較輕,風(fēng)動力性能較吊橋好,故發(fā)展很快。
鋼構(gòu)橋主體結(jié)構(gòu)所用的鋼材主要是碳鋼和Q355。20世紀(jì)50年代我國鋼橋主要采用普通碳素鋼—A3鋼,該鋼材由于含碳量較高(0.14~0.22%),可焊性差,只能進(jìn)行鉚接連接,如武漢長江大橋的主橋采用A3鋼,該橋?yàn)檫B續(xù)鉚接鋼桁梁。用A3鋼建造大跨度橋梁時,構(gòu)件截面尺寸大,從而增加用鋼量并使鋼橋的自重加大,因此,20世紀(jì)50年代后期,我國開始研究在鋼橋上采用能夠焊接的國產(chǎn)高強(qiáng)度低合金鋼—16q鋼和16Mnq鋼,如南京長江大橋采用16Mnq,屈服點(diǎn)為340MPa,它比用A3鋼節(jié)約鋼材約15%。20世紀(jì)70年代,我國又成功研制出強(qiáng)度更高的15MnVNq鋼,屈服點(diǎn)是420MPa,又比用16Mnq鋼節(jié)約鋼材10%以上。21世紀(jì),我國研制出另一種新型的橋梁用鋼—14MnNbq鋼,屈服強(qiáng)度為340MPa,該鋼材的主要特點(diǎn)是可焊接的最大板厚可達(dá)50mm,已成功用于蕪湖長江大橋(公、鐵兩用鋼斜拉橋)上。
現(xiàn)代鋼橋用材最多的是鋼板。用鋼材制造成鋼構(gòu)橋,要經(jīng)過許多機(jī)械加工工藝和焊接工藝。制成的鋼橋要承受很大的靜、動力荷載與沖擊荷載,因此被選作造橋的鋼材,既要能適應(yīng)制造工藝要求,又要滿足使用要求。為了滿足這些要求,對鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能(包括強(qiáng)度、塑性、韌性及疲勞性能等)和工藝性能(包括冷彎性能和可焊性)都有嚴(yán)格的規(guī)定。
鋼橋在使用時,不僅要求鋼材具有較高的強(qiáng)度,而且還要求具有良好的塑性;對低溫下工作的鋼橋,要求鋼材具有良好的低溫沖擊韌性;對于焊接鋼構(gòu)橋,要求鋼材具有可焊性。塑性是鋼結(jié)構(gòu)的安全性指標(biāo),因?yàn)樵跇蛄航Y(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中處存在焊接殘余應(yīng)力的地方,應(yīng)力值可能超過屈服點(diǎn),塑性好的鋼材還可以通過塑性變形使應(yīng)力重新分布,避免結(jié)構(gòu)的局部破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的實(shí)效。韌性不好的鋼材,在低溫或快速加載等不利的條件下,容易使鋼材發(fā)生脆性斷裂。因此,常用低溫沖擊韌性來判斷鋼材的脆性斷裂傾向。鋼材隨著使用年限的延長,會發(fā)生老化、韌性下降,為此,還有有時效沖擊韌性要求。現(xiàn)代鋼橋所用的鋼材,還必須具有良好的可焊性,通過一定得焊接工藝能形成優(yōu)質(zhì)的焊接接插件。
鋼構(gòu)橋是主要承受動荷載的結(jié)構(gòu),鋼材的抗疲勞性能對于橋梁十分重要。鋼橋承受的動荷載大小雖低于結(jié)構(gòu)的名義承載能力,但由于結(jié)構(gòu)中有微小的缺陷或集中應(yīng)力,易產(chǎn)生塑性變形,從而萌生裂紋,隨著外力循環(huán)次數(shù)的增加,微小的裂紋會逐漸擴(kuò)展,最后導(dǎo)致鋼橋的疲勞斷裂。在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)可以看見的裂紋時的荷載循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命。影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的因素除材料的韌性外,還與材料的化學(xué)成分、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)節(jié)、荷載類型、板厚及工作環(huán)境等有關(guān)。
冷彎性能是鋼材承受彎曲變形的能力,并顯示鋼板中是否有缺陷、有無夾渣或分層。它既是一項(xiàng)工藝指標(biāo),也是一項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo),冷彎性能好的材料有利于制造。
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